Il Nitroplasto, importante scoperta

Tra le scoperte più importanti del 2024, l’autorevole rivista Science cita quella del “nitroplasto”, ovverossia di un organulo intracellulare in grado di assimilare l’azoto atmosferico (N2).

Il nitroplasto è stato individuato all’interno delle cellule di alcune alghe, in particolare dell’alga unicellulare Braarudosphaera bigelowii (Gran e Braarud, 1935), della classe Coccolithophyceae.

Si tratta di una specie marina planctonica a diffusione costiera, dalle dimensioni di pochi millesimi di millimetro, la cui presenza sul nostro pianeta risale a oltre 100 milioni di anni fa, nel tardo Cretaceo.

A riguardo va ricordato che l’azoto (N₂) è l’elemento chimico più abbondante dell’atmosfera della quale costituisce circa il 78% del suo volume, seguito dall’ossigeno (O2), con “appena” il 20%.

La scoperta del nitroplasto assume particolare importanza se si tiene conto che l’azoto è un elemento essenziale per la vita essendo fondamentale per la formazione di proteine, acidi nucleici e altre molecole biologiche indispensabili.

Ad accrescere il valore della scoperta contribuisce anche il fatto che sinora in natura la capacità di assorbire l’azoto atmosferico era nota unicamente per particolari batteri (azotofissatori).

È vero che le piante possono assimilare l’azoto, però non direttamente dall’atmosfera ma tramite l’assorbimento di alcuni composti contenuti nel terreno, quali sali d’ammonio, nitriti e nitrati.

La straordinarietà della scoperta del nitroplasto consiste nel fatto che questo organulo contenuto nell’unica cellula che costituisce l’alga Braarudosphaera bigelowii abbla avuto origine da un Cianobatterio marino che si è insediato stabilmente all’interno della cellula dell’alga diventandone parte integrante e coevolvendo con la stessa.

Proprio come si ipotizza sia avvenuto per cloroplasti e mitocondri.

La scoperta dei nitroplasti mette in discussione il precedente convincimento che la fissazione dell’azoto fosse capacità un’esclusiva dei Procarioti.

La conoscenza della struttura e della funzione dei nitroplasti apre possibilità di un loro utilizzo con tecniche di ingegneria genetica nelle piante.

L’obiettivo è quello della creazione di piante capaci di fissare autonomamente l’azoto tramite l’introduzione dei geni responsabili della replicazione di nitroplasti.

Il successo di tale operazione porterebbe alla riduzione dell’utilizzo di fertilizzanti a base di azoto, la cui produzione è fonte di pesantii danni a livello ambientale.

Ai primordi della vita

Molto e molto tempo fa, circa tre miliardi di anni orsono, molto prima che gli organismi più complessi facessero la loro comparsa, il nostro Pianeta era già popolato da forme di vita molto semplici: i Procarioti, i cui rappresentanti sono comunemente conosciuti con il nome di batteri.

Organismi di piccolissime dimensioni, 0,2 – 30 millesimi di millimetro, sono loro i primi viventi della storia della Terra, antenati di tutte le altre forme di viventi, compresi i vegetali e gli animali.

Molto semplici, ma ben più complessi dei virus, i batteri sono costituiti da un’unica cellula primitiva, nella cui matrice interna, non protetto da un involucro nucleare, è custodito il proprio patrimonio ereditario scritto in una sola molecola di DNA.

Straordinari metabolizzatori, rapidi e con una varietà di capacità chimiche con cui nessun’altra forma vivente può competere, i Procarioti costituiscono un microcosmo sterminato di organismi che, con innumerevoli forme hanno colonizzato e sfruttato tutti gli ambienti possibili, acquatici e terrestri, dagli abissi marini sino alle cime più elevate, dai climi più caldi a quelli più freddi, spingendosi anche in quelli nei quali la vita è impossibile per qualsiasi altro vivente.

Allorché comparvero le piante e gli animali, molti batteri stabilirono con loro rapporti di tipo commensale, o mutualistico oppure parassitario.

Un pianeta modellato e governato dai batteri

Una prima considerazione è il fatto che oltre 3 miliardi di anni – siamo nel Precambriano – gli organismi Procarioti di gran lunga tra i più diffusi sul nostro pianeta erano i Cianobatteri (Cyanobacteria), impropriamente conosciuti in passato con il nome di alghe (alghe azzurre, alghe verdi-azzurre) in riferimento al loro colore verde bluastro.

Sin dalla loro comparsa e per altri 2 miliardi di anni ancora – i Cianobatteri sono stati la forma di vita di gran lunga la più diffusa sul Pianeta e in pratica gli unici in grado di nutrirsi direttamente di sostanze inorganiche (autotrofi) e di utilizzare l’energia luminosa dei raggi solari attraverso un processo di fotosintesi (fotosintetici). Quest’ultimo processo, che in seguito – dopo ben 2 miliardi di anni –  sarebbe stato ereditato da tutte le Piante verdi, permetteva già ai Cianobatteri la fotosintesi clorofilliana, mediante la quale l’anidride atmosferica (CO₂) e l’acqua (H₂O) vengono legati in uno stato organico più complesso per formare il glucosio (C₆H₁₂O₆), zucchero semplice tra i più diffusi in natura.

Di non secondaria importanza è il fatto che nel corso della fotosintesi dei Cianobatteri viene eliminato nell’atmosfera ossigeno molecolare. Allo stesso modo oggi avviene anche nelle Piante verdi.

Allora non c’erano ancora gli organismi pluricellulari (Eucarioti); sarebbero dovuti trascorrere ben 2 miliardi di anni prima che Piante e Animali facessero la loro comparsa.

Atmosfera primordiale

In quell’epoca, l’atmosfera primordiale era assolutamente priva di ossigeno libero (O₂); questo elemento era presente soltanto allo stato liquido, in combinazione con l’idrogeno nelle molecole d’acqua (H₂O).

A quell’epoca e per circa 2 miliardi di anni, tutte le forme viventi erano obbligatoriamente anaerobie, cioè erano attrezzate per vivere in assenza di ossigeno molecolare.

È stato grazie alla continua produzione di enormi quantità di ossigeno gassoso come sottoprodotto del loro processo di fotosintesi, che nei circa 2 miliardi di anni in cui sono stati i dominatori della pianeta Terra, i Cianobatteri hanno contribuito in modo determinante alla formazione dell’ossigeno libero gassoso.

L’atmosfera primordiale lentamente si arricchì sempre più di ossigeno libero e da riducente si trasformò in ossidante.

Ciò consentì la vita degli organismi in grado di respirare l’ossigeno atmosferico (aerobi), in particolare piante e animali che, favoriti dalle nuove condizioni dell’atmosfera, si sono potuti affermare e diffondere evolvendosi in una grande varietà di forme su tutto il pianeta e divenire dominanti a scapito degli anaerobi che sono ritrovati in un ambiente la cui atmosfera ere divenuta per loro ostile

Endosimbiosi, incontri fortunati

Ma l’azione dei Cianobatteri non si è limitata alla modifica dell’atmosfera primordiale.

Alla base del successo di piante e animali ci sono sempre loro, i Cianobatteri.

Infatti, secondo il modello endosimbiotico, esistono fondati elementi per ritenere che mitocondri e cloroplasti, organuli endocellulari deputati rispettivamente alla respirazione cellulare e alla fotosintesi clorofilliana, siano in realtà il risultato di un’ancestrale simbiosi avvenuta 1,5-2 miliardi di anni orsono tra Cianobatteri e Eucarioti unicellulari ameboidi eterotrofe che li hanno fagocitati senza però riuscire a digerirli.

Tra le due forme di vita – Cianobatteri e Eucarioti unicellulari ameboidi –  si è quindi stabilito un rapporto di reciproca convenienza, che è divenuto obbligatorio e che sta alla base del grande successo evolutivo di tutte le piante verdi e quindi anche degli animali, uomo compreso.

In definitiva, gli antenati dei mitocondri sarebbero Cianobatteri eterotrofi aerobi, in grado di liberare grandi quantità di energia utilizzando la respirazione cellulare.

Gli antenati dei cloroplasti, vanno sempre ricercati tra Cianobatteri ma in quelli autotrofi, capaci quindi di fotosintesi.

Esistono molti elementi che avvalorano l’ipotesi che in entrambi i casi, mitocondri e cloroplasti sono Cianobatteri divenuti ospiti obbligati permanenti di primitivi Eucarioti unicellulari. Ciò spiega perché le cellule di tutti gli Eucarioti siano provviste di mitocondri e, tra questi, le Piante verdi sono dotate anche di cloroplasti.

Oggi, con la recente scoperta del nitroplasto si può a ragione affermare che l’intero processo evolutivo degli organismi terrestri sia stato fortemente determinato dai Cianobatteri che, dopo aver generato l’ossigeno dell’atmosfera hanno dato origine a mitocondri, cloroplasti e anche nitroplasti dotando gli Animali e le Piante di organuli endocellulari con capacità biologiche altrimenti impossibili.